堿渣對(duì)水泥穩(wěn)定半剛性再生基層力學(xué)與水穩(wěn)性能影響及微觀分析

堿渣-水泥再生料不同養(yǎng)護(hù)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3、圖4可見(jiàn)，堿渣摻量從1%增加到2%時(shí)，各齡期試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量較大；堿渣摻量超過(guò)2%之后，材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度就會(huì)大幅度減少，不管前期還是后期，都會(huì)造成很大影響。養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，堿渣摻量為5%的材料其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥再生材料減少了34.84%；養(yǎng)護(hù)齡期為180 d時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)比不摻堿渣的材料減少41.49%。綜上可見(jiàn)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在堿渣摻量為2%~5%時(shí)趨勢(shì)呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。適量的堿渣會(huì)對(duì)水泥中混合物的活性起到激發(fā)作用，刺激水泥水化反應(yīng)加速進(jìn)行，導(dǎo)致前期材料強(qiáng)度形成較快，強(qiáng)度較大^［9］。如果堿渣占水泥原本數(shù)量的比例過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致水化反應(yīng)物的缺失、材料強(qiáng)度下降，但材料仍然會(huì)保持一定的強(qiáng)度。

圖4  堿渣摻量對(duì)不同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

Fig.4  Influence of alkali slag content on unconfined compressive strength of different ages

由圖5可見(jiàn)，由于前期水泥的水化反應(yīng)劇烈，堿渣摻量為0~2%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，前28 d強(qiáng)度形成最快。后期水泥水化基本完成，材料趨于穩(wěn)定，因此強(qiáng)度變化較小，但因堿渣本身不會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，因此摻堿渣的水泥再生材料的最終無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均較小。綜合考慮選擇2%堿渣+3%水泥的再生料與水泥再生材料，進(jìn)一步試驗(yàn)分析堿渣對(duì)水泥再生材料的力學(xué)與水穩(wěn)定性的影響。

圖5  養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)不同堿渣摻量試件的影響

Fig.5  The effect of curing age on specimens with different alkali slag contents

本文以再生廢舊半剛性基層材料的堿渣-水泥比例為0~5%和2%~3%的2種方案進(jìn)行劈裂強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

由表4、圖6可見(jiàn)，2種材料的劈裂強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大。養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，水泥再生材料比堿渣-水泥再生材料的劈裂強(qiáng)度高55%，并且同養(yǎng)護(hù)齡期下，堿渣-水泥再生材料均比水泥再生材料的劈裂強(qiáng)度低，說(shuō)明堿渣的摻入降低了材料的抗拉性能，使其脆性增加。養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、28、90和180 d時(shí)，堿渣-水泥再生材料的劈裂強(qiáng)度比水泥再生材料分別降低了35.5%、30%、20.5%和22%，兩者的差距是先減小后增加的，說(shuō)明摻入堿渣不利于前期劈裂強(qiáng)度的形成，并且這種影響一直延續(xù)到后期，差距維持在20%左右。

圖6  養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

Fig.6  The effect of curing age on splitting strength

2種再生材料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表6、圖7可見(jiàn)，2種材料的動(dòng)態(tài)模量均與齡期呈正相關(guān)關(guān)系。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d前，堿渣-水泥再生材料的動(dòng)態(tài)模量均比水泥再生材料的高；養(yǎng)護(hù)齡期為28~180 d時(shí)，堿渣-水泥再生材料的動(dòng)態(tài)模量低于水泥再生材料，動(dòng)態(tài)模量的增長(zhǎng)速度先高后低，而水泥再生材料的增速變化與之相反。綜上說(shuō)明，堿渣的摻入有利于再生材料前期動(dòng)態(tài)模量的增長(zhǎng)，堿渣提高了材料前期水化反應(yīng)，有利于動(dòng)態(tài)模量的提高，后期由于水泥含量不足，因此動(dòng)態(tài)模量慢慢低于水泥再生材料，但降低幅度不大。養(yǎng)護(hù)齡期為180 d時(shí)2種材料的動(dòng)態(tài)模量相差僅有7%。

圖7  不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響

Fig.7  The effect of curing age on dynamic modulus

按靜壓法成型Φ150 mm×h150 mm圓柱形試件，2種再生方案制作了12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件/齡期，脫模后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，將其中半數(shù)試件進(jìn)行干濕循環(huán)。養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)如表6所示。水穩(wěn)定系數(shù)為

式中：Q為水穩(wěn)定系數(shù)，%；P₁為試件干濕循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P₀為試件未干濕循環(huán)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。

水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。根據(jù)表7和圖8可見(jiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，2種廢舊再生材料的水穩(wěn)定系數(shù)也在增長(zhǎng)，在養(yǎng)護(hù)齡期前28 d，2種材料的水穩(wěn)定系數(shù)均提高最快，之后速度明顯下降。養(yǎng)護(hù)初期試件的化學(xué)反應(yīng)沒(méi)能進(jìn)行到底，顆粒間不具備較強(qiáng)粘結(jié)性，內(nèi)部張力在干濕循環(huán)的不斷作用下增大，容易使試件出現(xiàn)裂縫^［10］。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)平穩(wěn)下來(lái)，顆粒間粘結(jié)性增強(qiáng)，水穩(wěn)定性也隨之增加。材料前期具備較高的水穩(wěn)定系數(shù)，后期穩(wěn)定系數(shù)增幅不大。2種廢舊半剛性基層再生材料的水穩(wěn)定系數(shù)均在80%以上，說(shuō)明2種材料在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后其抗壓強(qiáng)度降低幅度均較小，因此水穩(wěn)定性較好。由圖8可知，堿渣-水泥再生材料明顯比水泥再生材料的水穩(wěn)定性要好，說(shuō)明堿渣可以在一定程度上提高水泥再生材料的水穩(wěn)定性能。

圖8  水穩(wěn)定系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢(shì)

Fig.8  Variation trend of water stability coefficient with curing ages

堿渣中的CaCO₃是以方解石和文石等礦物結(jié)構(gòu)方式存在^［11］，因此吸水性、保水性與微膨脹性能都較強(qiáng)，有利于降低混合料收縮程度與整體水分，提高材料pH值。堿性增強(qiáng)對(duì)水泥水化反應(yīng)起到促進(jìn)作用，增強(qiáng)早期強(qiáng)度^［12］。同時(shí)在堿渣中Ca（OH）₂和CaSO₄可以與水泥中的鋁酸三鈣（C₃A）反應(yīng)。再生骨料的表面及孔隙中生成多種膠結(jié)物^［13］，通過(guò)增強(qiáng)骨料間的膠結(jié)，使再生半剛性基層整體性更強(qiáng)，對(duì)材料強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的提高有幫助，反應(yīng)式如下：

Ca（OH）₂+C₃A+H₂O→C₄AH₁₃

C₄AH₁₃+CaSO₄·2H₂O→

3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

C₄AH₁₃+3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O→ 3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O

本文對(duì)5%水泥再生半剛性材料與2%堿渣+3%水泥復(fù)合再生材料內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了分析，所得XRD圖譜如圖9所示，其中，2θ為衍射角。由圖9、10可見(jiàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為7、90 d時(shí)，水泥再生料與堿渣-水泥再生料圖譜中主要礦物CaCO₃、C?S?H、C₄AH₁₃等可形成方解石和白云石等礦物結(jié)構(gòu)，為堿渣-水泥再生料提供早期強(qiáng)度；摻入堿渣后再生料中會(huì)生成紅輝沸石礦物質(zhì)^［14］。與7 d齡期相比，90 d齡期時(shí)2種再生料中的礦物含量均有增加，其中水泥再生料主要礦物質(zhì)強(qiáng)度提高42%~105%，堿渣-水泥再生料主要礦物質(zhì)強(qiáng)度計(jì)數(shù)提高52%~69%?？梢?jiàn)摻入適量堿渣不會(huì)對(duì)90 d齡期的水泥再生料中各物質(zhì)含量和強(qiáng)度計(jì)數(shù)影響太大。

圖9  水泥再生材料養(yǎng)護(hù)7、90 d的XRD圖

Fig.9  XRD patterns of cement recycled materials after curing for 7 and 90 days

圖10  堿渣-水泥再生材料7、90 d的XRD圖

Fig.10  XRD patterns of alkali slag-cement recycled materials after curing for 7 and 90 days

通過(guò)掃描電鏡對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為7、90 d的5%水泥再生料和2%堿渣+3%水泥復(fù)合再生料進(jìn)行5 000倍放大，觀察分析兩者的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)進(jìn)程，剖析堿渣對(duì)水泥再生半剛性基層的影響。

由圖11可見(jiàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)水泥再生料和堿渣-水泥再生料的顆粒大多呈現(xiàn)松散顆粒狀，之間并沒(méi)有明顯的膠結(jié)，空間結(jié)構(gòu)中存在很多細(xì)小的孔洞，呈松散狀態(tài)。有少量粉煤灰等球狀玻璃體，應(yīng)該是刨銑舊料中本身存在的材料。2種材料中均生成少量膠凝物質(zhì)、Ca（OH）₂和CaCO₃等晶體及部分較短纖維狀的鈣礬石等晶體，7 d養(yǎng)護(hù)齡期不足以反應(yīng)太多膠凝物，因此集料顆粒只是被嵌擠起來(lái)，并沒(méi)有真正粘結(jié)成整體，但堿渣-水泥再生料的集料粘結(jié)程度明顯比水泥再生材料更高，說(shuō)明堿渣中的活性物質(zhì)增強(qiáng)了水泥水化生成膠凝材料的數(shù)量，使得材料結(jié)合更加緊密^［15］。

圖11  2種材料養(yǎng)護(hù)齡期為7、90 d時(shí)的SEM掃描圖

Fig.11  SEM scanning images of two materials at curing ages of 7 d and 90 d

養(yǎng)護(hù)齡期為90 d時(shí)，水泥再生料和堿渣-水泥再生料中晶體化現(xiàn)象很明顯，空間結(jié)構(gòu)變得更緊密。因長(zhǎng)時(shí)間的化學(xué)反應(yīng)生成了大量C?S?H、Ca（OH）₂和CaCO₃等晶體充填于孔隙中，使得材料整體強(qiáng)度提高。同時(shí)，2種材料中纖維狀的鈣礬石和方解石等晶體與C?S?H凝膠相互粘結(jié)成網(wǎng)狀體^［16］，將集料顆粒與生成晶體及膠凝物纏繞起來(lái)，混合料的強(qiáng)度因此得到較大提升。

通過(guò)比較可以看出，堿渣的摻入有利于膠凝物質(zhì)在集料表面的包裹、互相纏繞，連接晶體與集料顆粒，形成晶體與膠凝物互相附著的整體結(jié)構(gòu)，大大提高混合料的整體強(qiáng)度，但空隙明顯比水泥再生料更大，因此后期強(qiáng)度弱于水泥再生料。